链式玉米精量播种机的设计与试验

2019-12-22 05:52吕钊钦鹿英哲郑文秀刘正铎史文婷程祥勋

农机化研究 2019年2期

鹿瑶，吕钊钦，鹿英哲，郑文秀，刘正铎，史文婷，程祥勋

(山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安 271018)

0 引言

玉米精量播种机械化技术是利用精量播种机将玉米种按高产农艺要求的播量、行距、株距、播深精确播入土壤，达到单粒下种、株距均匀、底肥深施及覆土深度一致的一种农机化实用新技术[1]。

目前，我国玉米播种机大多采用外槽轮式排种器或圆盘式排种器，该类排种器结构较简单，性能可靠，在机器工作速度较低时作业效果好；但是，由于投种高度(从排种口到种沟沟底距离)较大，种子在投种过程中会因为与导种管和开沟器的碰撞导致落地位置随机[1]，降低株距合格率，影响播种机的播种效果，而通过零速投种技术可以克服上述现象，实现玉米的精量播种。

现有的零速投种技术根据其投种方式可分为两大类：①二次投种，即排种器投出种子后，通过机械作用对种子沿播种机前进反方向加速，使种子落地时水平分速度接近于零，实现零速投种；②重力投种，即种子受重力下降，途经曲形导种装置，使种子获得与播种机前进速度大小相等、方向相反的水平分速度，实现零速投种[2-6]。

为提高播种质量、实现玉米等株距精量穴播，本文研制了一种勺链式玉米精量播种机。该播种机利用零度投种原理，创造性地设计了勺链式玉米送种装置，并结合窝眼轮式排种器，有效地解决了由于撞击造成的种子下落位置随机及播种均匀性差的问题。

1 播种机结构组成及工作原理

1.1 总体结构

链式玉米精量播种机主要由机架、悬挂装置、排种装置、链式投种装置、传动装置、地轮及镇压轮等组成，主要技术参数如表1所示，主要结构如图1所示。

1.2 工作原理

机具与20kW以上的拖拉机配套使用。机具前进，地轮转动，通过传动链条带动排种辊转动，排种辊上圆周均匀分布有窝眼；随着辊子顺时针转动，玉米种粒充入窝眼内，与此同时排种辊通过齿轮传动，带动毛刷逆时针转动，将多余的种子刷回种箱，确保1个窝眼只充1粒种子；排种辊带动种子转至种箱下方落种口时，种子通过重力作用落入勺链输送装置，勺链输送装置通过链传动与排种辊传递动力，并确定准确的传动比，以一定的株距将种子送入开沟器开出的种沟中，确保株距相同；而后由镇压轮进行镇压，完成玉米精密播种工作。

表1 链式玉米精量播种机主要技术参数表

1.种箱 2.大从动链轮 3.轴承座 4.轴承 5.毛刷 6.三点悬挂装置 7.固定板 8.支撑杆 9.弹簧 10.地轮摇杆 11.地轮 12.大主动链 13.开沟器 14.镇压轮 15.镇压仿形弹簧 16.防护板 17.种勺 18.小从动链轮 19.小主动链轮 20.传动链条 21.输送链

2 关键部件设计

2.1 排种装置

播种机播种质量好坏取决于排种器的排种质量。目前，窝眼轮式精密排种器发展较成熟，应用广泛，结构简单，加工成本低，性能可靠，在我国精密播种机上应用广泛[3]，但缺点是存在种子挤压破坏现象且对不同粒径种子通用性差。本文设计的排种装置通过毛刷柔性清种，既保护种子完整又提高了精密播种的质量[3]，作业效果良好。

该机排种装置主要由窝眼轮式排种器、排种器外壳、清种毛刷、调节螺栓、传动齿轮及传动链等部分组成，如图2所示。

型孔与种子的尺寸是否相匹配很重要，对单粒精密播种更为重要。为弥补窝眼轮排种器粒径通用性差的缺点，本排种器针对不同粒径种子配备不同型孔的窝眼轮。

2.2 链式投种装置

链式输送装置主要由排种勺、方形板、输送链、链轮和防护外壳组成。升运链是一条中心距500mm的输送链条，具体结构如图3所示。输送链通过链轮呈环形可活动地安装在防护外壳内壁上，链条上等距离固定有12个10mm×10mm完全相同的小方板，排种勺随升运链一起上下运动。

玉米种从种箱投至种沟可分为两个投种过程。种箱的种子由进种口进入排种腔内开始排种器的清种过程，清种后的每一粒种子会跟着排种轮转动至落种口位置落入链式投种装置的投种勺上，完成第1次投种；随后投种勺的玉米籽粒，在链轮的带动下运动至投种器投种口处投出，落入种沟，完成第2次投种。第1次投种为常规排种器排种，此处重点分析第2次投种过程中玉米籽粒的受力及运动情况。

1.毛刷 2.机架 3.落种口 4.排种轮 5.种箱

1.机架 2.主动链轮 3.投种勺 4.链条 5.从动链轮 6.落种口 7.投种器外壳

由于升运链传动速度较低，且链式输送装置落种口距离地面较近，所以较好地解决了种子与排种器和开沟器碰撞致使种子下落位置随机、播种均匀性差的问题。

分析播种机的工作过程可知：若没有种勺的作用，玉米种会在投种轮的底部开口处以抛物线轨迹投出，使得种子与土壤产生碰撞，影响株距均匀性；如若加上该投种勺，该投种勺给种子一斜向上支持力，调整投种角α大小，令种勺支持力与重力、内壁支持力、摩擦力及转动惯性力水平分力相抵消。根据牛顿第二定律可得，玉米籽粒脱离种勺开始下落时水平速度趋近于0，从而极大地提高了玉米播种株距的均匀性。

以玉米籽粒重心为原点，水平向右为x轴正向，竖直向上为y轴正向，建立辅助坐标系。为便于分析，假设玉米籽粒为理想刚性球体，投种链轮转速恒定不变[2]，对受力进行正交分解，则

∑FX=F1×cosβ+FN1×cosγ+FN2×

cosβ+f1×cosγ

(1)

(2)

对此刻种子进行受力分析如图4所示。根据牛顿第二定律可得

(3)

F1—转动惯性力；

FN1—投种勺对玉米籽粒的支持力；

FN2—投种筒内表面对玉米籽粒的支持力；

f1—玉米籽粒与投种筒间摩擦力；

β—F1与x轴正向夹角；

γ—FN1、f1与x轴正向夹角；

μ—种子与内壁的摩擦系数。

图4 投种过程玉米籽粒受力图

图4中：O为投种器转动圆心；x、y为以玉米籽粒质心为原点辅助坐标系的横、纵轴；ω为投种链轮角速度(rad/s);R为玉米籽粒转动半径(m)；α为投种位置与竖直方向的夹角，即投种角(°)；F1为转动惯性力(N)；FN1为投种勺对玉米籽粒的支持力(N)；FN2为投种筒内表面对玉米籽粒的支持力(N)；f1为玉米籽粒与投种筒间摩擦力(N)；β为F1与x轴正向夹角(°)；γ为FN1、f1与x轴正向夹角(°)；G为玉米籽粒所受重力(N)；VP为播种机前进速度(m/s)。

通过计算得出，当30°≤α≤60°时，VX=0，且得

2.1 试验条件的优化影响试验结果的因素包括NaCl浓度和ssDNA浓度，确定两者最适浓度可以确定检测方法的最佳结果。在银纳米溶液中加入不同浓度的NaCl溶液，引起银纳米粒子的聚集，使得A608/A418值不同。由图1可知，当控制NaCl体系浓度在40 mmol/L时，A608/A418值最大，银纳米粒子聚集程度最大。继续增加浓度，比值几乎不变。在此基础上，同理，可测得ssDNA体系浓度为8 nmol/L时，A608/A418值最小，银纳米粒子分散程度最大。由此可知，NaCl和ssDNA最佳浓度分别为40 mmol/L和8 nmol/L。

∑FX=0

(4)

当投种包角小于30°时，种子停滞在投种内壁上不再下滑，形成自锁，要想顺利投种，只能靠下一个种勺将其刮下，导致落种时间的延迟；若投种包角大于60°时，种子缺乏种勺支撑作用，从而导致株距的不均匀性。

2.3 其它部件

动力传动机构由地轮带动链进行传动。镇压轮为橡胶轮，橡胶轮滑移的均值和方差都较小，其直径为40cm，外缘宽度10.5cm，作用是镇压，达到压碎土块、压紧耕作层及蓄水保墒的目的[9]。

3 田间试验及验证

3.1 试验基本条件

试验地点为山东农业大学南校实验基地。试验地属于一年两熟平原区，土壤为壤土或粘土；年平均降水量500mm左右。土壤质地为壤土，坚实度247.5×104Pa；土壤含水率9.3%(0～5cm)、11.7%(5～10cm)[4]。试验用玉米品种为辽丹16号，千粒质量283g，种子含水率为11.2%，播种量为300kg/hm2[3]。

试验旨在通过正交试验验证播种机的可行性及最优试验组合，使播种机播种质量及效率达到最优。

3.2 试验设计

通过前期单因素试验观察及理论分析，影响玉米播种质量的主要因素有播种机前进速度vp、投种包角α及投种高度h。为明确上述3个因素对切根作业质量的影响，本试验以株距合格率H作为衡量投种质量的标准，开展3因素3水平正交试验，不计交互作用，试验因素和水平如表2所示，正交试验方案如表3所示[11]。其中，前进速度为播种机的前进速度，投种包角为投种口位置与水平方向的夹角，投种高度为投种口到种沟底面的垂直距离。